谈钢轨铝热焊接头冷裂纹的韧性断裂特征分析

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1、铁道建筑120RailwayEngineering文章编号：1003—1995(2011)12．0120．03钢轨铝热焊接头冷裂纹的韧性断裂特征分析李力，胡玉堂，李金华(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)摘要：钢轨铝热焊接头的断裂常常是因为铸造缺陷引发脆性断裂，断口一般具有高温断裂的特性或低温脆断特性。本文对两起具有韧性断裂特点的冷裂断口进行了分析，认为冷却过程受到外来拉应力是造成韧性断裂的主要原因。关键词：铝热焊接头冷裂纹韧窝断裂准解理断裂解理断裂中图分类号：U213．46文献标识码：A钢轨焊接接头是铁路线路质量的限制瓶颈，据统扩展区与起裂区存在明显界线，裂纹扩展区没有明

2、显氧计，95％的断轨事故与焊接有关，其中与铝热焊有关的化痕迹。从图2的断口的金相照片中，可以看到在断口又超过了80％。的表层，焊缝金属局部有脱碳的现象，但不严重。2010年12月，侯月线上行60km左股与70km右股相继发现铝热焊接头折断，肉眼观察这两处断裂均源于轨底上表面，裂纹的起裂都源于焊接熔合区表面。铝热焊接头的断裂大部分缘于铸造缺陷，由于含碳较高的原因，冷裂常常表现为脆性断裂，但韧性断口的冷裂纹却非常罕见¨。本文对形成韧性断裂的原因进行了分析及研究。1断口试验图2断口金相照片(100×)铝热焊接头断口的宏观形貌，如图1所示，在断口裂纹源区为明显韧窝特征，图3为断口扫描电子处取裂纹源部分

3、进行电子显微分析及金相分析。显微镜照片，图4为其能谱分析结果。图3(b)是在1000倍的电子显微镜下看到的断口形貌。可以看到韧窝断裂的形貌，韧窝的形状为圆形的等轴形韧窝，在韧窝的底部有夹杂物或第二相粒子。这种韧窝的形成是在受到拉应力的条件下韧窝微孔在空间三个方向上长大，速度一致，最终形成圆形的等轴韧窝。从韧窝的形态可以推断，韧窝裂纹形成主要是焊接接头在拉应力的条件下而产生的。由于钢轨及其铝热焊接接头均属于高碳钢，推断该接头断裂是在焊接完成之后，接头在冷却的过程中较高的温度下形成的。图1断口宏观照片能谱分析得到焊缝裂纹源的化学成份及母材化学从图1断口宏观照片中，可以看到裂纹源区与裂纹成份如表1，

4、焊缝化学成份与母材极为接近。断口微扩展区的分界，裂纹源已存在明显氧化锈蚀现象。裂纹区面扫描能谱分析结果证实，裂纹起源于铝热焊缝内。裂纹扩展区形貌如图5。在电子显微镜下可看收稿日期：2011—07-21；修回Et期：2011-09·15到，断口呈现不明显疲劳特征，可见有河流状的解理断作者简介：李力(1965一)，男，湖南双峰人，研究员。裂的特征形貌，但不连续；局部存在有一定的塑性变形122铁道建筑河流状解理断裂特征。断口的形成主要是焊接接头在成明显的疲劳辉纹时，裂纹就形成了失稳扩展，造成了常温或以下的温度条件下，在高温冷却时形成的裂纹接头的断裂。因疲劳裂纹的扩展阶段较短，所以断口处引起应力集中，

5、在接头受到拉应力的情况下，裂纹迅疲劳特点不是很明显。速扩展，直至焊接接头断裂。3结论2分析及讨论1)钢轨焊接接头在高温下受到外力作用形成的断口形貌学认为，韧窝断口属于冷裂断口，为一种裂纹仍然会具有冷裂纹的基本形貌特征。典型的冷裂纹。但从表1的化学成份及实践经验看，2)已存在裂纹源的条件下，钢轨内的裂纹会以较焊缝及母材在室温下开裂不会出现韧性断口。结快速度扩展而呈现不明显的疲劳辉纹。合断口形貌及氧化特征，可以判断出，断口裂纹萌生于，3)防止这种裂纹的形成关键要避免焊接接头过400℃～700℃温度区间。在该温度区间，焊缝组织已早承受载荷，不仅要避免过早放行列车，而且要防止气完成珠光体转化，由于温度

6、较高具有较好的塑性，造成温下降对接头的拉伸。了最终的韧性断裂。如果断裂发生在更高的温度区参考文献间，断口上将能够观察到液化裂纹的特点，应当呈现出热裂的特点。但从断口形貌看，显然不具备这种特征。[1]李力，邹立顺，高东海．关于铝热焊超声波探伤异常反射的从铝热焊的工艺特点分析，钢轨焊接对母材加热原因探讨[J]．铁道建筑，2005(8)：9O一92．[2]何少平，王德志，陈仕良．钢轨气压焊接头断裂的组织研究的方式为整体加热，且冷却缓慢，由于焊接热影响产生[J]．金属热处理，2003，28(1)：77—79．拘束应力的力值相对处于较低的水平，而且由于冷[3]李亚江，沈孝芹，孟繁军，等．高强度钢焊接区拘

7、束应力的有速慢，不可能具备冷裂纹形成的基本条件。亦即限元分析[J]．焊接学报，2002，23(5)：58—61．不可能由于拘束应力而引发冷裂纹。[4]潘勇琨，王振家．钢焊接最低预热温度的确定[J]．焊接技因此，从断口分析及金相分析的结果看，该处铝热术，2010，6(3)：6—1O．焊断裂应当是在焊缝冷却未到300℃时，焊缝即受到[5]侯玉碧．75kg／m钢轨采用法国QPCJ铝热焊焊接的质量问外加载